Các nhà nghiên cứu đã phát triển một phương pháp mới để kiểm soát sự biểu hiện gen với độ chính xác chưa từng có bằng cách sử dụng ánh sáng. Tiến bộ này, được công bố trên Nature Chemistry, giới thiệu một công tắc quang đảo ngược nhắm mục tiêu DNA G-quadruplex [gee-quad-ru-plex]. Đổi mới phân tử này có thể dẫn đến các công nghệ điều chỉnh gen động, không xâm lấn.
Nghiên cứu tập trung vào cấu trúc DNA G-quadruplex (G4), các cấu hình bốn sợi độc đáo được tìm thấy trong các chuỗi giàu guanine trong bộ gen. G4 tham gia vào các quá trình tế bào quan trọng như phiên mã và sao chép. Các nhà khoa học đã thiết kế một phân tử có thể chuyển đổi quang học, có thể liên kết có chọn lọc với các cấu trúc G4 này.
Công tắc quang này điều chỉnh sự phù hợp của G4 để đáp ứng với các bước sóng ánh sáng cụ thể. Điều này cho phép kiểm soát không gian và thời gian đối với sự biểu hiện gen. Các nhà nghiên cứu có thể 'bật' hoặc 'tắt' hoạt động của gen một cách hiệu quả trong các tế bào sống bằng cách chiếu ánh sáng có màu thích hợp.
Công tắc quang dựa trên các dẫn xuất azobenzene [azo-ben-zene], các phân tử được biết đến với quá trình đồng phân hóa thuận nghịch do ánh sáng gây ra. Nhóm nghiên cứu đã tối ưu hóa khung hóa học để đảm bảo ái lực liên kết và tính đặc hiệu đối với DNA G4. Bước sóng ánh sáng trong phạm vi nhìn thấy được gây ra các biến đổi cấu trúc mà không gây ra tổn thương do ánh sáng đáng kể cho các tế bào.
Xác nhận thực nghiệm cho thấy rằng chiếu xạ bằng một bước sóng ánh sáng ổn định cấu trúc G4, cản trở sự liên kết của yếu tố phiên mã và điều chỉnh giảm sự biểu hiện gen mục tiêu. Ngược lại, việc tiếp xúc với một bước sóng thay thế sẽ gây ra quá trình đồng phân hóa công tắc quang, làm thư giãn sự phù hợp của G4 và khôi phục quá trình phiên mã gen. Kiểm soát bước sóng kép này cho phép điều chỉnh gen chính xác.
Khả năng điều chỉnh từ xa và có thể đảo ngược các gen cụ thể hứa hẹn cho việc phát triển các liệu pháp gen thế hệ tiếp theo. Các gen liên quan đến bệnh có thể được nhắm mục tiêu và làm im lặng khi cần thiết và kích hoạt lại khi tình trạng bệnh nhân tiến triển. Điều này có thể đạt được thông qua các xung ánh sáng được áp dụng bên ngoài.
Nhóm nghiên cứu đã thiết kế các công tắc quang nhạy cảm với ánh sáng đỏ và ánh sáng cận hồng ngoại, các bước sóng xuyên sâu hơn vào các mô. Các xét nghiệm độc tính mở rộng đã xác nhận rằng các hợp chất công tắc quang và chu kỳ kích hoạt ánh sáng của chúng không gây ra độc tính tế bào hoặc mất ổn định bộ gen. Điều này đảm bảo rằng hệ thống có thể được sử dụng an toàn trong các môi trường thử nghiệm và lâm sàng.
Chiến lược thiết kế mô-đun tạo điều kiện thuận lợi cho việc chức năng hóa và điều chỉnh thêm công tắc quang. Các lần lặp lại trong tương lai có thể kết hợp các phối tử nhắm mục tiêu hoặc các chất báo cáo huỳnh quang. Các tác giả hình dung công nghệ này sẽ được tích hợp với các phương pháp quang di truyền và công nghệ nano hiện có để tăng cường điều chỉnh di truyền.